Fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave

El moldeo por transferencia de resina (RTM) es un método para fabricar estructuras compuestas de alta tecnología. El proceso RTM permite producir de forma consistente piezas compuestas con alta resistencia, geometrías complejas, tolerancias dimensionales estrictas y la calidad que suelen requerir las aplicaciones aeroespaciales. El RTM utiliza un molde cerrado, generalmente de aluminio. Se coloca una capa de fibra, como grafito, en el molde. Este se cierra, se sella, se calienta y se somete a vacío. Se inyecta resina caliente en el molde para impregnar la capa de fibra. El calentamiento y el vacío del molde, como en el moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM), facilitan el flujo de la resina. A continuación, el molde se mantiene a una temperatura suficiente para el curado de la resina. La tecnología RTM actual produce piezas ligeras con excelentes propiedades mecánicas. Gracias a estas cualidades, los materiales compuestos se están utilizando ampliamente en diversas aplicaciones estructurales y no estructurales comunes en la industria aeroespacial y aeronáutica. El RTM es uno de los métodos para fabricar estas estructuras compuestas. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

El moldeo por transferencia de resina con la misma cualificación (SQRTM) es un método de fabricación de compuestos en molde cerrado similar al RTM. El término "misma cualificación" se refiere a que este método inyecta la misma resina que se utiliza en la preparación de la preimpregnación. Las características de "misma cualificación" son importantes para un fabricante, ya que quienes adoptan este proceso no necesitan volver a cualificar los materiales de resina para su proceso de producción. Lo que distingue al SQRTM del moldeo por transferencia de resina estándar es la sustitución de una preparación de preimpregnación por una preforma de fibra seca. ^{[ 3 ]}

SQRTM es un proceso RTM adaptado a la tecnología de preimpregnados. El preimpregnado se coloca en un molde cerrado y, durante el ciclo de curado, se inyecta una pequeña cantidad de resina en la cavidad a través de orificios ubicados alrededor de la pieza. Esta resina no penetra en el laminado, sino que solo ejerce presión contra el borde del mismo para establecer una presión hidrostática sobre el preimpregnado, similar al objetivo del curado en autoclave. Esta presión es similar a la del autoclave, del orden de 6-7 bares (90-100 psi). La presión hidrostática minimiza los huecos al mantener el aire disuelto, el agua y los monómeros de resina en solución. El molde puede ser autoajustable y autocalentable o calentado y ajustado mediante una prensa. El equipo se compone de un molde, una prensa, un inyector y una bomba de vacío . ^{[ 4 ]}

Los factores clave en el proceso SQRTM incluyen herramientas de molde cerrado mecanizadas con precisión, prensas de alta presión, un alto vacío aplicado al interior de la herramienta y un control preciso de las placas calefactoras, el volumen de resina inyectada, el calor y la presión.

Las ventajas del proceso SQRTM incluyen un alto nivel de integración, tolerancias estrictas y el uso de preimpregnados calificados. Sus desventajas incluyen mayores costos de herramientas y un menor nivel de flexibilidad para realizar cambios de diseño. ^{[ 5 ]}

El moldeo por transferencia de resina asistida por vacío (VARTM) se diferencia del procesamiento de preimpregnados en que los refuerzos de fibra y los materiales del núcleo se colocan en un molde de una sola cara y se embolsan al vacío. La resina líquida se introduce a través de orificios en el molde y se extrae por vacío a través de los refuerzos mediante canales diseñados y medios de infusión que facilitan la humectación de las fibras. El curado posterior no requiere altas temperaturas ni altas presiones, a diferencia del autoclave. El utillaje de coste relativamente bajo del proceso permite la producción económica de piezas grandes y complejas en una sola operación, ^{[ 1 ]} como la cola del Mitsubishi SpaceJet . ^{[ 6 ]}

El moldeo por presión equilibrada con fluido como medio de transferencia de calor se practica comercialmente como el proceso "quickstep". Este proceso permite el curado, el curado parcial y la unión de materiales compuestos . El proceso implica una tecnología de molde flotante calentado, con presión equilibrada y lleno de fluido. Esta tecnología funciona aplicando calor rápidamente al laminado, que queda atrapado entre un molde rígido o semirrígido flotante que se encuentra dentro de un fluido de transferencia de calor (HTF). El calentamiento rápido puede reducir significativamente la viscosidad de la resina, lo que permite lograr la consolidación completa del laminado con presiones inferiores a las utilizadas en un autoclave. El molde y el laminado se separan del HTF circulante mediante una membrana flexible. La pieza, generalmente bajo vacío total, está sometida a presiones de hasta 250 kPa y puede calentarse rápidamente a la temperatura de curado deseada sin riesgo de una reacción exotérmica catastrófica , ya que el HTF puede absorber el exceso de calor según sea necesario. A continuación, se extrae el aire al vacío y el laminado se compacta y calienta hasta que la pieza se cura.

Una membrana flexible situada debajo del molde se adhiere a una cámara de presión, formando así la mitad inferior de un molde tipo concha o cámara. Una segunda membrana flexible se adhiere a una segunda cámara de presión, creando la mitad superior del molde. Estas cámaras de presión se sujetan entre sí durante el proceso, lo que permite comprimir el laminado y, al mismo tiempo, reduce la tensión en el molde, que flota en un entorno de presión equilibrada dentro del fluido caloportador.

El proceso puede utilizar preimpregnados termoplásticos y termoendurecibles (fibras compuestas preimpregnadas), así como resina húmeda con fibra seca, para producir piezas compuestas de calidad superior. Este proceso fuera de autoclave permite alcanzar contenidos de vacío de grado aeroespacial inferiores al 2 %, con tiempos de ciclo extremadamente rápidos y a presiones y costes laborales significativamente menores que muchos sistemas de producción en autoclave alternativos que utilizan preimpregnados típicos aptos para autoclave. El sistema Quickstep fuera de autoclave es único, ya que utiliza un curado fluido a presión equilibrada totalmente sumergido y permite al usuario detener la reacción de curado del compuesto en cualquier punto del ciclo. De esta forma, puede detener el procesamiento en todo o parte del laminado y retomarlo posteriormente para completar el curado o para co-curar, unir y adherir otros compuestos para crear piezas de mayor tamaño.

El uso de fluidos para controlar la temperatura, en contraposición al gas que se utiliza generalmente en métodos como el curado en autoclave y en horno, se traduce en un menor consumo de energía , tiempos de ciclo más rápidos y un control de la temperatura de las piezas extremadamente preciso.

Otro método fuera del autoclave para lograr compresión externa en piezas compuestas a base de preimpregnados es mediante el uso de cinta termorretráctil. Sin embargo, este método no alcanza la alta calidad de los procesos RTM o de autoclave, ya que, sin un autoclave o un molde cerrado, la pieza debe curarse en un horno sin presión. Estas cintas de compresión suelen estar hechas de película de poliéster (PET). La cinta termorretráctil se aplica a la pieza compuesta antes del ciclo de calentamiento o curado. Al calentarse, la cinta se contrae linealmente (en la dirección de la máquina). La cinta termorretráctil funciona mejor en piezas con sección transversal cilíndrica o semicircular, ya que esto permite que la cinta ejerza fuerzas de compactación uniformes sobre la superficie de la pieza. Algunos ejemplos serían tubos compuestos para la industria aeroespacial, la energía eólica, artículos deportivos de consumo, etc. La cinta termorretráctil permite procesar estas piezas sin necesidad de curarlas con el calor y la presión de un autoclave.